从土压平衡盾构设计角度对地表沉降控制的一些思考

对如何将地表沉降控制在合理范围内提出了实用性的 措施。只有考虑施工过程以及不同地区的土质情况才 可以较为准确地预测地表沉降， 但如果和设计不匹配， 会给施工带来很大困难。大部分进行盾构选型的人员 是施工人员， 对盾构的设计不是非常了解， 因此， 选型 从根本上不适应的现象时有发生。本文分别针对软土 和砂卵石等不同地层进行原因分析， 并提出有效措施， 主要从盾构设计角度提出选型观点。
２ 沉降分析及设计应对措施
地表沉降理论上主要分 ４ 种， 每种沉降产生的原因 及表 １ 所示。 和大小不同， 且可控程度不同， 如图 ２
图２ 地表沉降理论分析示意图 Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｓ ｋ ｅ ｔ ｃ ｈｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ
目前国内土压平衡施工典型地质主要分为软土 （ 含淤泥质土、 粉质黏土、 黏土、 粉细砂等） 、 砂及砂卵 石层（ 含细砂、 中粗砂、 砂砾、 砂卵石、 卵石层等） 及岩 石（ 各类岩石及不同风化程度的岩层） 。 地表沉降在土压平衡盾构施工中是一个非常重要 的控制因素， 但具体到不同的地质， 地表沉降的表现又 不同。以上 ３类地层中以岩石， 尤其是稳定围岩的地
０ 引言
盾构的地表沉降控制是一个综合问题， 其中施工 控制占主导因素。从施工方面对地表沉降控制的研究
１ ］ 文献已有很多。杨书江等 ［ 介绍了盾构通过重要建 ２ ］ （ 构） 筑物的施工技术。刘云龙 ［ 认为应参照地表监 测数据调整施工过程中的参数以达到地表沉降的控 ３ ］ 制。陈广亮 ［ 系统分析了超前、 同步、 补注浆 ３种方式 改善砂卵石地层的物理力学性质的机制， 并介绍了不
出地层损失率作为沉降控制标准， 并提出了软土地层
６ ］ 盾构施工地层损失控制技术要点。何国军 ［ 分析泥 水平衡盾构施工引起地表沉降的机制， 结合超大直径
泥水平衡盾构施工实例， 从切口压力、 泥水指标控制及 同步注浆管理等方面探讨超大直径泥水平衡盾构施工 ７ ］ 地表沉降的控制技术。郑淑芬 ［ 对盾构隧道施工地 表沉降进行了较为深入的研究， 首先， 归纳总结前人研 究所得理论， 分析了产生地表沉降的机制和影响地表 沉降的因素以及地表沉降的大致规律； 接着， 以广州地 铁三号线北延段高增站—新机场南站区间盾构隧道为 Ｉ Ｄ Ａ Ｓ ／ Ｇ Ｔ Ｓ模拟盾 实际工程背景， 运用有限元软件 Ｍ 构隧道开挖掘进过程， 分析盾构隧道掘进过程中产生 的地表沉降， 并将数值模拟分析结果与实测的地表监 测数据对比； 然后， 借助 Ｍ Ｉ Ｄ Ａ Ｓ ／ Ｇ Ｔ Ｓ软件， 研究上层 覆土条件、 盾尾注浆、 掘进压力和双线隧道的不同开挖 顺序等因素对盾构隧道地表沉降的影响规律； 最后， 针
收稿日期： ２ ０ １ ３－ ０ １－ ０ ４ ；修回日期： ２ ０ １ ３－ ０ ３－ ０ ２
作者简介：王杜娟（ １ ９ ７ ８ —） ， 女， 陕西扶风人， ２ ０ ０ １ 年毕业于石家庄铁道学院机械工程及自动化专业， 本科， 高级工程师， 现主要从事盾构机总体设计工作。
３ ２ 地表沉降发生的原因分析 沉降发生的根本原因是盾构施工对地层的扰动， 对地层扰动的多少决定了地表沉降的大小。从原理上 来说， 泥水平衡盾构理论上可以实现 １ ０ ０ ％ 的沉降控 制， 主要原因是：泥水盾构有泥膜， 可完全隔绝地下水 与土仓的联系， 同时， 浆液具有液体传递压力的特性， 可准确达到压力平衡， 理论上刀盘前部土体几乎可保 持原状， 土层不受扰动； 盾体段， 泥浆可完全填充开挖 空隙， 原状土不受扰动； 管片段， 如注浆做好， 理论上可 不产生沉降。 土压平衡盾构即使在理论上也做不到 １ ０ ０ ％ 地表 沉降。原因是：在刀盘前部， 开挖面无泥膜， 即使土仓 有压力， 也制止不了地下水向土仓渗透， 渣土改良理论 上可止水， 但也只能减缓不能杜绝地下水流失， 由于地 下水的流失， 会引起原状土性状改变， 就算是辐条式刀 盘， 刀盘在掌子面的刚性支撑在开挖过程会产生或大 或小的空洞， 形成局部坍塌； 盾体段存在开挖空隙， 回 填渣土松散， 地层的沉降是不可避免的， 开挖空隙越 小， 沉降越少； 盾尾段与泥水盾构相同， 只要注浆合理， 理论上此种沉降在设计时可不考虑。 由以上分析引发了土压平衡盾构在设计时应考虑 的共性问题： １ ） 刀盘在条件允许时尽可能采用辐条式， 开口率 尽可能大。 ２ ） 开挖空隙在条件允许时尽可能小。
第 ４期 王杜娟 ： 从土压平衡盾构设计角度对地表沉降控制的一些思考
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表沉降应该容易控制， 但由于地层不能自然成拱， 理论 上来说， 盾构的开挖会对整个开挖面及以上地层产生 扰动， 因此地表沉降较难控制。软土盾构的设计， 在转 弯半径允许的范围内， 应尽量减少盾尾间隙进而减少 开挖直径与管片外径间的空隙， 减少地层扰动， 防止地 表沉降。主要措施有： １ ） 减少盾尾间隙， 注浆管外置， 进而减少开挖直 径， 如图 ３所示。 ２ ） 刀盘加大开口， 使土压真实反应。 ３ ） 配置较大的理论注浆量， 可到 ２～ ２ ． ５倍。 ４ ） 配置双液注浆系统。
从土压平衡盾构设计角度对地表沉降控制的一些思考
王杜娟
（ 中铁隧道装备制造有限公司，河南 郑州 ４ ５ ０ ０ １ ６ ）
摘要：为了解决土压平衡盾构在施工中的地表沉降问题， 分别针对软土和砂卵石地层进行分析， 从盾构设计角度提出一些地表沉 降控制的有效措施， 如加大刀盘开口率、 配置足够驱动能力等措施， 列举北京地铁十号线十二标的成功案例。认为应加强施工管 理， 多方面避免地表沉降的产生， 最大限度地保证地铁施工的安全。 关键词：土压平衡盾构；设计选型；地表沉降；软土地层；砂卵石地层 Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ７ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２－ ７ ４ １ Ｘ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ １ ４ 中图分类号：Ｕ４ ５ 文献标志码：Ａ 文章编号： １ ６ ７ ２－ ７ ４ １ Ｘ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４－ ０ ３ ２ ７－ ０ ４
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同注浆方式的注浆方法和参数， 认为通过各阶段的注 浆能够有效地控制盾构法施工引起的地表沉降。卢 ４ ］ 瑾［ 以广州市轨道交通四号线南延段盾构法施工为 研究背景， 用 ２种方法分析并预测了盾构法施工引起 的地表沉降， 认为地表土体产生沉降最主要的原因是 ５ ］ 通过 盾构开挖过程中引起的地层损失。黄春来等 ［ 对上海地铁软土地层盾构施工引起的地层变形原因和 机制进行分析， 结合派克公式对地层变形进行计算， 引
表沉降最小， 基本可以忽略不计； 而以砂卵石层地表沉 降最难控制； 在软土中， 淤泥质土地表沉降也较难控 制； 而粉细砂层则是最容易出大事故的地层， 目前地铁 几次较大事故均发生在软土层施工中。以下分 ２种地 质分别探讨设计中的一些考虑因素。 ２ ． １ 软土层地表沉降分析及应对措施 就地层来说， 在软土层中土压平衡更容易建立， 地